小流量高浓度颗粒物光学计数及重叠校正方法研究

传统的光学粒子计数方法受到粒子回波脉冲带宽限制,难以直接应用于超细颗粒物凝结增长后端的颗粒物数量检测。基于粒子光散射原理,采用高带宽粒子回波脉冲方案设计了颗粒物光学计数模块,在0.3L·min~(-1)采样流量下,15μm标准聚苯乙烯颗粒回波脉冲半宽为650ns,粒子计数效率得到有效提高。为了提高颗粒数浓度测量上限与精度,基于概率统计提出了粒子重叠校正方法,利用此方法颗粒物数浓度测量上限可达2×10~5 cm~(-3)。在自制的正丁醇超细颗粒物凝结增长装置中开展了对比实验。结果表明,该系统与环境空气数浓度测量设备TSI-3788和Airmous-A20的相关性均超过0.98,与机动车尾气固态颗粒物数浓度法规测量设备MEXA-200SPCS的相关性高达0.96,从而验证了所设计的颗粒物光学计数模块及重叠校正方法的准确性。     

获取大气颗粒物消光系数的差分吸收光谱法研究

针对雾霾天气日益增多,大气污染气体向颗粒物的转化在加快,研究了一种大范围对其监测的差分吸收光谱方法。差分吸收光谱法可以实时、在线、准确同时获取颗粒物光学特性和大气痕量气体浓度。论文首先分析了双光路差分吸收光学遥感系统获取颗粒物绝对光强的原理,然后研究了基于单光路测量大气吸收谱,在干净天气状况下测量参考光谱,利用能见度数据,在550 nm波段处实现系统校准,计算校准参数,从而获得大气绝对吸收光强,然后解析出大气总的消光系数。再从总的大气消光系数中,去除瑞利散射以及大气痕量气体吸收对消光系数影响后,精确解析出颗粒物消光系数。同时基于差分思想获取大气痕量气体的浓度。最后把该方法应用于外场实验,获取大气颗粒物在350～700 nm波段范围内消光系数和大气中NO₂的浓度。研究结果表明颗粒物消光系数的随着波长的增加而减少,符合Angstrom公式。该研究为分析大气气相/粒子非均相化学反应提供有力的技术支持。     

基于后向光散射的无组织排放颗粒物质量浓度远程测量方法

针对目前尚无有效测量建筑工地等无组织排放源排放的颗粒物质量浓度的方法的问题,提出基于后向光散射的无组织排放颗粒物质量浓度远程测量方法,其测量结果为柱形光束段的颗粒物质量浓度平均值。建立后向散射光能与颗粒物质量浓度、测量距离的理论模型,搭建以半导体激光器为光源和以互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器为探测器的便携式测量装置,开发了图像处理程序。通过标定实验验证了颗粒物质量浓度与系统输出值之间的线性关系,并得到了标定曲线。实验分析了较大颗粒的粒径及测量距离在100 m以内的变化对测量结果的影响。同时选取无组织排放源进行现场模拟测试。结果表明:基于新方法的实验测量装置可应用于开放场地无组织排放气团中颗粒物柱浓度的远程估测。     

大气颗粒物近前向光散射特性研究EI北大核心CSCD

为了考察大气颗粒物近前向光散射特性及其在粉尘质量浓度测量中的应用,建立了大气颗粒物近前向散射光测量实验装置,通过单分散和多分散颗粒物样本的实验测量和基于米散射理论的颗粒物光散射计算,得到颗粒物近前向散射光强度与粒径及分布宽度的关系,结果表明该装置可用于测量环境大气气溶胶质量浓度。通过已知参数的单分散气溶胶样品测量,借助米散射理论计算,可以获得较为准确的响应度数值,并估计测量实际大气颗粒物的误差范围。采用亚利桑那超细标准粉尘进行质量浓度定标,测量城区自然环境颗粒物的粉尘质量浓度,需要约2.5倍的修正。     

大气颗粒物近前向光散射特性研究

为了考察大气颗粒物近前向光散射特性及其在粉尘质量浓度测量中的应用,建立了大气颗粒物近前向散射光测量实验装置,通过单分散和多分散颗粒物样本的实验测量和基于米散射理论的颗粒物光散射计算,得到颗粒物近前向散射光强度与粒径及分布宽度的关系,结果表明该装置可用于测量环境大气气溶胶质量浓度。通过已知参数的单分散气溶胶样品测量,借助米散射理论计算,可以获得较为准确的响应度数值,并估计测量实际大气颗粒物的误差范围。采用亚利桑那超细标准粉尘进行质量浓度定标,测量城区自然环境颗粒物的粉尘质量浓度,需要约2.5倍的修正。     

基于RBF神经网络气压补偿的非色散红外SF6气体传感器

非色散红外SF₆气体传感器具有测量范围广、灵敏度高、抗干扰能力强等优点,在电力系统中具有广泛的应用。在实际检测过程中,环境气压的变化对气体传感器的检测精度有较大的影响,提出利用RBF神经网络建立气体传感器气压补偿模型,运用其泛化和非线性映射能力对环境气压波动引起的测量误差进行补偿。实验结果表明:采用气压补偿模型后的气体传感器在气体浓度3 260 mg/m3~9 781 mg/m3,气压100 kPa~120 kPa范围内,最大测量误差由±646 mg/m3降为±52 mg/m3,测量精度为±0.53%FS。该方法相比于拟合法和硬件电路补偿法具有更高的测量精度和稳定性,降低了传感器的体积和成本。     

基于差分光学吸收光谱方法的OH自由基定标系统研究

介绍了一种基于差分光学吸收光谱(DOAS)方法的OH自由基定标系统, 该系统可产生一定浓度的OH自由基并同时进行精确测量. 系统采用紫外灯185 nm光线分解水汽产生OH自由基, 利用500 W氙灯准直光作为光源; 使用基长1.25 m、反射次数60次、总光程75.0 m的多次反射池来增加OH自由基的吸收光程; 以超高分辨率中阶梯光栅光谱仪(最高分辨率3.3 pm)作为光谱采集系统对光谱信号进行采集, 采用DOAS测量方法获得OH自由基的浓度. 通过改变腔内水汽的浓度, 系统准确测量了5×10⁸-1.8×10¹⁰ molecules/cm³浓度范围的OH自由基. 分析了OH自由基测量过程中受到的吸收截面偏差、气压等因素影响, 得到系统总测量误差小于7.3%. 在实验的浓度范围内, 系统可用于大气OH自由基气体扩张激光诱导荧光测量技术的定标.     

颗粒物与气体浓度同步测量方法研究

针对燃煤电厂颗粒物超低浓度排放在线检测的需求,在激光散射法的基础上提出了利用光强调制技术的颗粒物浓度在线测量方法。结合波长调制技术提出了气体与颗粒物浓度同步测量的方法,同时建立了波长调制下散射光信号的数学模型。理论分析及仿真结果表明:气体浓度与归一化二次谐波幅值的峰值成正比,颗粒物浓度与消除气体吸收后的散射光信号的一次谐波幅值成正比。利用1392 nm的近红外激光器对蚊香燃烧时产生的颗粒物与水蒸气浓度进行同步测量。实验结果表明:测量的水蒸气浓度值与温湿度传感器测量值之间的偏差小于3%,颗粒物浓度的特征值与粉尘仪测量值具有高度线性关系,拟合因子为0.9973,实现了基于波长调制技术的颗粒物与气体浓度的同步测量。     

基于偏振技术的藻类水体散射光中叶绿素荧光分离方法研究

浮游藻类细胞内的叶绿素分子吸收光能后,会以释放能量的形式发射叶绿素荧光。水中颗粒物的弹性散射光是部分偏振光,而叶绿素荧光则是非偏振光,因此利用这一特性可以从总散射光谱中分离出荧光,从而达到反演叶绿素浓度的目的。但对于近岸等复杂水体,该方法能否适用并不清楚,基于此,实验通过测量分别分析了不同无机颗粒物浓度和叶绿素浓度对偏振分离方法的影响。结果表明,对含不同浓度无机颗粒物的藻类水体,分离出的荧光峰会随浓度增加有降低趋势,但是当颗粒物浓度达到300 mg·L-1时,反演结果仍然可靠。对含不同浓度叶绿素的藻类水体,叶绿素浓度越高,偏振方法分离荧光的效果越好,对低浓度正常水体,仍能识别。实验证明了利用偏振方法分离叶绿素荧光对复杂水体仍然有效,对进一步遥感探测近岸水体的叶绿素浓度具有重要意义。     

工业SO2及碳黑颗粒紫外成像遥感监测技术

为了准确有效监测工业烟囱排放,基于SO2及碳黑颗粒物的光学特性,设计并研制出一套双通道紫外成像遥感监测系统.该成像系统的两个光谱通道的中心波长分别定于310 nm和330 nm,利用两个通道的光学厚度之差反演SO2浓度图像,颗粒物浓度图像由330 nm通道获取,根据浓度图像结合光流法获取烟羽运动速度,进而计算得出SO2和碳黑颗粒物的排放速率.结果表明,该工业烟囱的SO2及碳黑颗粒物排放速率分别为72.48±3.16 kg/h和6.33±1.18 kg/h.实验采用紫外相机同时对工业烟囱排放的SO2及碳黑颗粒物进行监测,实验表明双通道紫外成像遥感监测兼具高时间分辨率与高空间分辨率,测量结果准确直观,在工业废气污染、船舶尾气污染以及火山喷发污染排放遥感监测中具有非常明显的技术优势及巨大的应用前景.     

呼吸性粉尘吸收系数的光声光谱探测

针对呼吸性粉尘浓度连续、可靠、低成本的实时检测需求,实现了光谱应用技术创新,提出了一种基于光声光谱的呼吸性粉尘探测系统,低功率二极管激光器光谱中心波长为403.56 nm及相应的NO₂有效吸收截面为5.948 5×10-19 cm2·mole-1;通过频率扫描拟合得到了1.35 kHz的谐振频率。开展了光声池结构的影响分析,得到了光声池长度参数对本底噪声影响较小但对激光信号影响较大、内径参数对本底噪声存在一定影响但对本底噪声影响较小的结论。在考虑品质因数、加工条件、使用场合和待测对象属性等影响情况下,选用120 mm的长度参数和8 mm的内径参数;基于长度为60 mm、内径为25 mm的缓冲腔结构,开展了缓冲隔板对系统稳定性的影响分析,通过在缓冲腔中设置缓冲隔板,降低了本底噪声、稳定了系统,其幅值及波动由(2.83±0.11) μv稳定为(1.26±0.03) μv。分析得到了NO₂的比吸收系数为195.28 Mm-1·(mg·m-3)-1,利用NO₂气体在405 nm处的吸收对系统进行了标定,得到了拟合斜率为0.0436 8 μv/Mm-1、相关系数为0.998、池常数为300.24 Pa·cm·W-1的结论。同时在1 min平均时间下,得到了系统探测浓度下限及吸收系数为2.30 μg·m-3和0.448 Mm-1。基于标准微球的聚苯乙烯作为气溶胶发生器对象开展了呼吸性粉尘的吸收系数影响分析,进行了5μm以下不同数浓度颗粒及同一数浓度下不同粒径颗粒吸收系数的测试,结果表明：呼吸性粉尘的吸收系数和数浓度成正比,线性拟合后的斜率为10.598±0.641 96,相关系数为0.993;吸收系数曲线的方差在3～4 Mm-1间,不同粒径的颗粒对吸收系数存在着一定的影响;随着粒径增加,吸收系数随之增加。开展了环境大气中NO₂的测量,选用0.2 μm的过滤膜滤除粉尘的干扰,实验结果表明大气NO₂浓度为16.4~61.6 μg·m-3,平均浓度为41.1 μg·m-3。为了证实测量系统的准确性,与课题组自行研发的长光程差分吸收光谱系统(LP-DOAS)进行了对比测试,测试结果显示了本光声光谱系统和LP-DOAS系统测量NO₂浓度的相关性较好,线性拟合后的斜率为1.011 78±0.040 13,相关系数为0.947 81。开展了环境大气中呼吸性粉尘的测量,选用5 μm过滤片过滤环境大气,通过“NO₂+5 μm粉尘”和“NO₂+0.2 μm粉尘”两路测量对象的差分测量,得到了呼吸性粉尘的变化趋势,可以满足自然悬浮状态下的呼吸性粉尘吸收系数实时测量。     

氧碘化学激光器废气排放污染评价北大核心CSCD

氧碘化学激光器运行过程中会将氯气、碘蒸气等有毒有害物质排入大气,对工作场所空气质量和人员健康存在安全隐患。采用点源扩散的高斯模式,建立了小风条件下氧碘化学激光器废气的扩散模型,结合工作场地人员分布情况,计算得到激光器废气排放后15min内,距地面1.5m高度、距排放点500m范围内废气中有毒成分氯气和碘的质量浓度空间分布。根据质量浓度空间分布情况,选取采样点,以Na_2SO_3溶液作为吸收液对氯气和碘进行了同时采样,并采取离子色谱测量了吸收液中氯离子和碘离子的质量浓度。结果表明:氧碘化学激光器废气排入大气后,氯气质量浓度最高为0.200mg/m^3,碘蒸气质量浓度小于检测方法的检出限0.030mg/m^3,低于国家职业卫生标准规定的最高容许质量浓度限值1mg/m^3。     

AML-1车载式大气污染监测激光雷达样机研制

针对环境监测工作的迫切需要,开发研制了我国第一台车载式大气污染监测激光雷达。它具有测量范围大,距离分辨率高、数据可靠、灵敏度高等特点,并通过驱动单元能进行空间三维探测。该雷达系统能监测四种大气污染物,即大气气溶胶、二氧化硫、二氧化氮和臭氧。大气二氧化硫、二氧化氮、臭氧的最高探测灵敏度分别为0．01mg／m^3、0．04mg／m^3、0．01mg／m^3,气溶胶的消光系数探测限为10^-4km^-1,最高探测空间分辨力为7．5m,最大探测距离为3～10km。介绍了其基本原理,关键技术和运行情况。     

基于双光路差分测量法的光纤粉尘浓度测量研究

矿井环境粉尘浓度的测量与治理一直是采矿行业安全发展的一项难题。为了实现对井下场所粉尘浓度安全、实时地监测，研究采用内腔式循环系统获得实验粉尘的空间均匀分布，采用双光路光纤差分测量法解决探测窗口表面的落尘问题。以玉米粉为研究对象，注入5种不同粉尘质量，通过计算粉尘质量浓度与衰减系数之间的比例系数，校准获得粉尘质量浓度的测量值，测量结果与理想计算粉尘质量浓度曲线基本吻合。研究发现，双光路光纤差分测量法可有效解决探测器表面的落尘问题，可为矿井环境粉尘浓度光纤监测技术的工程应用提供参考。     

Investigation of the performance of bipolar transverse plate ESP in the sintering flue control

In order to improve the particle collection efficiency of the electrostatic precipitator (ESP), a transverse plate ESP with bipolar discharge electrodes is proposed. The simulations of the velocity distribution have shown that when the inlet velocity is 1 m/s, within the range of 40 mm from electrode plate, the average velocities of windward side and leeward side are less than 0.7 m/s and 0.3 m/s respectively. It is clear that the velocity near the collection electrode plate of this bipolar ESP is much lower than that of the ordinary ESP at the same inlet velocity. This low velocity can lead to higher efficiency for fine dust collection due to the less dust re-entrainment in ESP. It is also found that the average velocities are getting lower when the distance between plates electrodes are greater than 150 mm in accordance with the simulations. The voltage current characteristics of the bipolar ESP are superior to the ordinary ESP. The pressure drop of the bipolar ESP is about 30% higher than that of the ordinary one. The dust penetration of the bipolar ESP is about 54% less than that of the ordinary ESP when the sintering dust with 25.405 μm mass median diameter is used as the test particulate under the condition of the electric field from 2.1 kV/cm to 3.2 kV/cm and the velocity from 1.0 m/s to 1.5 m/s.     

基于图像透光率的粉尘浓度测量算法研究

为了实时在线监测颗粒物料在装卸和运输过程中所产生粉尘的浓度,提高粉尘浓度测量结果的精确性与可靠性,提出了一种基于图像透光率特征值计算的粉尘浓度测量算法。通过搭建粉尘浓度视觉测量实验平台,采集粉尘图像,再提取粉尘图像的透光率特征,以暗通道理论为基础,结合图像饱和度与亮度信息对粉尘图像透光率值进行计算,并采用多项式拟合的方式建立了粉尘浓度与图像透光率之间的映射关系,实现了粉尘浓度的高效率、高精度测量。研究结果表明:该算法不仅能有效地测量出粉尘浓度,且平均相对误差仅为7.77%,精确度得到有效提高,测量范围更大。     

单组分双分析通道红外气体检测方法研究

基于单分析通道非分散红外(non-dispersive infrared, NDIR)气体分析技术, 提出一种单组分双分析通道气体检测方法. 根据SO₂的红外吸收特征, 采用逐线积分气体吸收模型和方法, 选择洛伦兹展宽线型并考虑温度和气压对积分线强、线型的影响, 确定了两个分析通道的滤波参数.使用7.32 μm和4 μm波段分别反演小于等于 280 ppm与大于280 ppm的SO₂浓度;使用最小二乘法, 以三阶多项式为拟合模型, 获得了两个分析通道的定标曲线.对系统的测量线性度、检测限和测量准确度进行了分析. 两个分析通道的联合可以实现约几ppm至10000 ppm的宽动态范围的SO₂测量, 且系统测量线性度大于0.99, 测量误差小于5%.既克服了NDIR气体分析技术检测灵敏度和宽动态测量范围不能同时兼顾的缺陷, 良好的系统测量线性度还为多组分气体分析的干扰修正提供了非常必要的前提条件.     

An Optical Particle Counting System for Testing Industrial Pulse-Cleaned Cartridge Dust Collectors

An optical particle counting system has been developed for testing industrial pulse-cleaned cartridge dust collectors. The system is applied to measure fractional penetration of a full scale dust collector and to study its short term and long term dynamic behavior. Results show collector efficiencies for dust loadings of 23 g/m³ exceeding 99.999% over the particle size range from 0.5 μm to 10 μm, with a minimum fractional penetration occurring at approximately 2 μm.     

差分光学吸收光谱法研究卷烟主流烟气NO_2

利用差分光学吸收光谱(DOAS)仪对不同品牌卷烟主流烟气中的NO2进行连续、实时、在线测量,使用RM200型转盘式20孔道吸烟机,一次将20只卷烟顺序输送到吸烟转盘上,间隔3 S依次点火,并将卷烟烟气通入与之直接相连的总光程为31.5 m的怀特池,利用差分光学吸收光谱技术,町在6～7 min之内完成对整只卷烟的逐口测量.提高了测量结果的时间分辨率.抽吸开始时,怀特池气压被抽到5.2×104Pa,所有卷烟完成测量时,气压恢复到1.03×105Pa;抽吸结束后,怀特池中NO2的浓度在0.89 mg/m3和1.54 mg/m3之间.比较不同品牌的卷烟,主流烟气中NO2浓度有明显差别,特别是混和型卷烟比烤烟型高83%,该技术对卷烟烟气成分的快速检测提供了,一种简便的方法.